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1、第20卷第1期西安工業(yè)學院學報Vol120No112000年3月JOURNALOFXIpANINSTITUTEOFTECHNOLOGYMar12000X水中氣泡的特性研究122張建生,孫傳東,盧笛(11西安工業(yè)學院數(shù)理系,陜西西安710032;21中國科學院西安光學精密機械研究所)摘要:概述了水中氣泡的密度與從水面算起的深度、水面的風速之間的關(guān)系;給出了一般情況下的小氣泡、中等氣泡、大氣泡的運動規(guī)律;并闡述了氣泡的光散射特性以及一種計算光學特性的簡單方法.文中詳細闡述了利用光學方法來研究氣泡所需涉及的問題,為氣泡的光學特
2、性研究指明了方向.通過對水中氣泡進行高速攝影,所拍氣泡圖像清晰明辨;進一步對圖像的分析表明氣泡運動速度與理論計算結(jié)果是一致的.據(jù)此我們認為采用光學方法研究尾流氣泡并且依此對目標進行跟蹤是完全可行的.關(guān)鍵詞:氣泡;氣泡密度;末速度;光學特性;高速攝影中圖號:TV131.32文獻標識碼:A文章編號:100025714(2000)0120001208Airbubblesinwater122ZHANGJian2sheng,SUNChuan2dong,LUDi(11DeptofMathematics&Physics,Xi’anIn
3、stituteofTechnology,Xi’an710032,China;21Xi’anInstituteofOpticsandPrecisionMechanics,CAS)Abstract:Therelationbetweenairbubblesdensityandthedepthfromsurfaceofwater,thewindspeedatwatersurfaceisintroducedinthispaper.Motionsofbubblesofsmall,intermediateandlargesizeare
4、alsostatedtoo.Thelightscatteringpropertyofbubblesisdiscussedandasimplemethodtocalculatetheopticalpropertyofairbubblesisclarified.Inthispaper,problemsrelatedtotheopticalmethodstostudyairbubblesarestated.Analysesofhighspeedphotographyofbubblesshowthatbubbles’speedi
5、sconsistentwiththeresultsoftheoreticalcalculation.Alltheseshowthatdetectingwakesofbubblesandtracingtargetsopticallyarefeasible.KeyWords:airbubble;bubbledensity;terminalvelocity;opticalproperties;highspeedphotography引言海水中有以各種形式存在的空氣泡,更一般地說氣泡.由于波浪的破碎,在緊貼海面之下產(chǎn)生了大量的氣
6、泡,并被湍流卷入海面以下.氣泡也可存在于某些生物機體之內(nèi),例如魚類的X收稿日期:1999209222基金項目:國防科技重點實驗室基金試點項目99JS26.3.1.ZK1801作者簡介:張建生(1966-),男(漢族),西安工業(yè)學院講師,目前在西安光學精密機械研究所在職攻讀博士學位.2西安工業(yè)學院學報第20卷魚鰾.氣泡還發(fā)生于船舶的尾流中,而且尾流中的氣泡能保留很長時間.在海水中自由的氣泡十分微小,因為較大的氣泡很快就上升到海面破裂消失.1海水中氣泡的密度由于海浪的破碎而產(chǎn)生的氣泡,這些氣泡在海水的淺表,它們在海洋學研究過
7、程中起著作用.如液滴噴射、氣體交換、有機粒子的形成、細菌的傳播、化學物質(zhì)的分餾、聲波以及激光的行進和散射等.文獻報導的對于氣泡的數(shù)量以及線度分布的研究有三種方法:聲學技術(shù)、氣泡陷[1]肼(BubbleTrap,BT)和照相方法.Medwin利用聲學技術(shù)發(fā)現(xiàn),在低風速、深度為14m、水溫為13℃時,單位體積每1μm(即Δr=1μm)半徑寬度的氣泡數(shù)量n(r)隨半徑r的變化近似地滿足關(guān)系-4-2n～r(r<80μm)n～r(r>80μm)而氣泡數(shù)量n與深度z的關(guān)系為-1/2-z/7n～z(r≥60μm)n～e(r<60μm)
8、Blanchard和Woodcock等利用BT技術(shù)對深度為25m、溫度為14℃條件下的氣泡進行了研究,并在研究過程中對氣泡發(fā)生器進行遙控操作,遙控距離達60～70m.Medwin首次利用照相方法測量氣泡的數(shù)量及其線度分布,后來又有人進行了更為系統(tǒng)[1]的研究.結(jié)果發(fā)現(xiàn),測量區(qū)域的深度隨氣泡線度的增大而增加;氣泡線度為
